(57)【要約】  炭化ケイ素および炭化ケイ素内に分散したケイ素相を含む第１のマトリックス部分を有するセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を得るステップと、シールされた部品を形成するために部品にコーティングを施すステップと、ＣＭＣを含む別のセグメントを部品上に形成するステップであって、別のセグメントは炭化ケイ素および炭化ケイ素内に分散したケイ素相を含む別のマトリックス部分であってもよい、ステップと、を含む方法が提供される。また、炭化ケイ素および炭化ケイ素内に分散したケイ素相を含むマトリックス部分を含むＣＭＣセグメント（２１０）と、第１のセグメント（２１０）を囲む炭化ケイ素を含むシーリング層（２３０）と、シーリング層（２３０）上の第２のセグメント（２５０）であって、第２のセグメント（２５０）は、炭化ケイ素および炭化ケイ素内に分散したケイ素相を含むマトリックス部分を有する溶融浸透されたＣＭＣを含む、第２のセグメント（２５０）と、を備えるガスタービン構成要素が提供される。【選択図】図２Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品をシールするステップであって、前記部品は第１のマトリックス部分を含む第１のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含み、前記第１のマトリックス部分は第１の炭化ケイ素および前記第１の炭化ケイ素内に分散した第１のケイ素相を含み、前記シールするステップはシールされた部品を形成するために前記部品にコーティングを施すステップを含む、ステップと、
第２のＣＭＣを含むセグメントを前記シールされた部品上に形成するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記施すステップが、化学気相成長を実行するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コーティングが炭化ケイ素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記コーティングが炭化ケイ素を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のＣＭＣを含むセグメントが第２のマトリックス部分を含み、前記第２のマトリックス部分は、第２の炭化ケイ素および前記第２の炭化ケイ素内に分散した第２のケイ素相を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記部品がガスタービン部品である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記部品が、ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、燃焼器ライナ、およびセンターフレームからなる群から選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記部品が修復を必要としている構成要素であり、前記シールするステップおよび形成するステップが前記構成要素を修復するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記形成するステップが溶融浸透を行うステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記形成するステップが前記第２の炭化ケイ素を前記第２のケイ素相と溶融浸透させるステップを含み、前記溶融浸透させるステップは、前記第２の炭化ケイ素上にケイ素を施すステップと、前記第２の炭化ケイ素上に施された溶融ケイ素を形成するために、前記第２の炭化ケイ素上に施されたケイ素を、前記第２の炭化ケイ素上に施された前記ケイ素の融点以上の第１の温度に加熱するステップと、前記第２の炭化ケイ素上に施された前記溶融ケイ素が前記第２の炭化ケイ素を浸透することができるように、前記第２の炭化ケイ素上に施された前記ケイ素を前記第１の温度に加熱しながら、前記部品の周囲の雰囲気を制御するステップと、前記第２のケイ素相を形成するために、前記第２の炭化ケイ素を浸透した前記ケイ素の融点より低い第２の温度に前記部品を冷却するステップと、を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記形成するステップが前記第２の炭化ケイ素を前記第２のケイ素相と溶融浸透させるステップを含み、前記溶融浸透させるステップは、前記第２の炭化ケイ素を芯と接触させるステップと、ケイ素の融点以上の第１の温度で、溶融ケイ素で芯を湿潤させるステップと、前記第２の炭化ケイ素を前記芯と接触させながら前記部品の周囲の雰囲気を制御するステップと、前記第２の炭化ケイ素を前記溶融ケイ素と浸透させるステップであって、前記浸透させるステップは前記溶融ケイ素を前記芯から毛管作用で運ぶステップを含む、ステップと、前記第２のケイ素相を形成するために、前記第２の炭化ケイ素を浸透した前記ケイ素の融点より低い第２の温度に前記部品を冷却するステップと、を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の温度が約１３００℃〜１６００℃の間である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の温度が約１３８０℃〜１５００℃の間である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の温度が約１３８０℃〜１５００℃の間である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記部品が、ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、燃焼器ライナ、およびセンターフレームからなる群から選択されるガスタービン部品である、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
部品をシールするステップであって、前記部品は第１のマトリックス部分を含む第１のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含み、前記第１のマトリックス部分は第１の炭化ケイ素および前記第１の炭化ケイ素内に分散した第１のケイ素相を含み、前記シールするステップはシールされた部品を形成するために前記部品にコーティングを施すステップを含み、前記施すステップは化学気相成長を実行するステップを含み、前記コーティングは炭化ケイ素を含む、ステップと、
第２のマトリックス部分を有する第２のＣＭＣを含むセグメントを前記シールされた部品上に形成するステップであって、前記第２のマトリックス部分は第２の炭化ケイ素および前記第２の炭化ケイ素内に分散した第２のケイ素相を含む、ステップと、
溶融浸透を行うステップを含む形成するステップと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記部品が、ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、燃焼器ライナ、およびセンターフレームからなる群から選択されるガスタービン部品である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第１のマトリックス部分を含むセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む第１のセグメント（２１０）であって、前記第１のマトリックス部分は第１の炭化ケイ素および前記炭化ケイ素内に分散した第１のケイ素相を含む、第１のセグメント（２１０）と、
炭化ケイ素を含むシーリング層（２３０）であって、前記シーリング層（２３０）は前記第１のセグメント（２１０）を取り囲みかつ外面を有する、シーリング層（２３０）と、
前記シーリング層（２３０）の前記外面上の第２のセグメント（２５０）であって、前記第２のセグメント（２５０）は、第２のマトリックス部分を有する溶融浸透されたＣＭＣを含み、前記第２のマトリックス部分は、第２の炭化ケイ素および前記第２の炭化ケイ素内に分散した第２のケイ素相を含む、第２のセグメント（２５０）と
を備える、ガスタービン構成要素。
【請求項１９】
前記構成要素が、ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、燃焼器ライナ、およびセンターフレームからなる群から選択される、請求項１８に記載のガスタービン構成要素。
【請求項２０】
請求項１８に記載のガスタービン構成要素を備えるガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品をシールし、続いてその上に別のＣＭＣセグメントを形成する間に部品からケイ素が失われるのを防ぐことに関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維で強化されたＣＭＣを含むセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）は、ＳｉＣセラミックなどのモノリシックセラミックの損傷許容度の問題を軽減するために開発され、ガスタービンエンジンなどの高温構造用途に魅力的になった。高温構造用途に特に魅力的な繊維強化ＣＭＣの一種は、反応性溶融浸透繊維強化ＣＭＣ（以下「ＭＩ−ＣＭＣ」）である。
【０００３】
ＭＩ−ＣＭＣでは、繊維およびマトリックス成分のプリフォームは、マトリックス成分と反応するときにセラミックマトリックスを生成する金属で浸透される。浸透金属がケイ素またはケイ素合金であり、マトリックス成分が得られるマトリックスが実質的にＳｉＣ（例えば、ＳｉＣおよび／またはＣ微粒子）であるようなものである、ＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣは、他のＣＭＣと比較して、高い熱伝導性、優れた耐熱衝撃性、耐クリープ性、および耐酸化性を有するため、高温構造用途に特に魅力的である。
【０００４】
ガスタービン用途では、ＭＩ−ＣＭＣ構成要素は、構成要素のマトリックス亀裂応力を超える荷重を受けることが多い。そのような応力から構成要素のマトリックス部分に生じる亀裂は、ＭＩ−ＣＭＣ複合材の剛性および耐酸化性を低下させるように作用し、ＭＩ−ＣＭＣ構成要素の早期破損をもたらす可能性がある。さらに、落下した部品または工具からのような一時的な過剰応力状態は、ＭＩ−ＣＭＣ構成要素の製造、輸送および／または設置中に発生する可能性があり、またマトリックス亀裂を引き起こす可能性もある。また、一般的な消耗は、ＭＩ−ＣＭＣ構成要素の寿命を縮めるかもしれない。したがって、効果的な修復方法が必要とされ、その結果、亀裂または他の損傷を示すＭＩ−ＣＭＣ構成要素は、交換する必要よりもむしろ使用に適した状態に戻されることができる。
【０００５】
ＭＩ−ＣＭＣ構成要素を修復するための１つの選択肢は、損傷を受けたＭＩ−ＣＭＣ構成要素に対してＭＩプロセスを実行することによって亀裂を埋めるかまたは他の磨耗もしくは損傷を受けた面を改修することである。しかし、そのような修復プロセスの望ましくない結果は、ＭＩプロセス中の揮発または再加工中の構成要素に追加された追加のＭＩ−ＣＭＣセグメントの毛細管へのケイ素の浸潤などによって、Ｓｉなどの材料がＭＩ−ＣＭＣ構成要素の元の部分から失われることであり得る。したがって、修復中にＳｉまたは他の材料を失うことなくそれらを使用可能な状態に復元するためのＭＩ−ＣＭＣ構成要素内のマトリックス亀裂を修復するための方法および関連する構成、構成要素、およびアセンブリが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／１１５４８９号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一態様では、第１のマトリックス部分を有する第１のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む部品を得るステップであって、第１のマトリックス部分は第１の炭化ケイ素および第１の炭化ケイ素内に分散した第１のケイ素相を含む、ステップと、部品をシールするステップであって、シールするステップはシールされた部品を形成するために部品にコーティングを施すステップを含む、ステップと、第２のＣＭＣを含むセグメントをシールされた部品上に形成するステップと、からなる方法が提供される。いくつかの実施形態では、第２のＣＭＣは、第２の炭化ケイ素および第２の炭化ケイ素内に分散した第２のケイ素相を含む第２のマトリックス部分であってもよい。
【０００８】
別の態様では、第１のマトリックス部分を有する第１のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む部品を得るステップであって、第１のマトリックス部分は第１の炭化ケイ素および第１の炭化ケイ素内に分散した第１のケイ素相を含む、ステップと、シールされた部品を形成するために部品にコーティングを施すステップを含む部品をシールするステップであって、施すステップは化学気相成長を実行するステップを含み、コーティングは炭化ケイ素を含む、ステップと、第２の炭化ケイ素および第２の炭化ケイ素内に分散した第２のケイ素相を含む第２のマトリックス部分を有する第２のＣＭＣを含むセグメントをシールされた部品上に形成するステップと、溶融浸透を行うステップを含む形成するステップと、からなる方法が提供される。
【０００９】
さらなる態様において、第１のマトリックス部分を含むセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む第１のセグメントであって、第１のマトリックス部分は第１の炭化ケイ素および炭化ケイ素内に分散した第１のケイ素相を含む、第１のセグメントと、炭化ケイ素を含むシーリング層であって、シーリング層は第１のセグメントを取り囲みかつ外面を有する、シーリング層と、シーリング層の外面上の第２のセグメントであって、第２のセグメントは、第２のマトリックス部分を有する溶融浸透されたＣＭＣを含み、第２のマトリックス部分は、第２の炭化ケイ素および第２の炭化ケイ素内に分散した第２のケイ素相を含む、第２のセグメントと、を備えるガスタービン構成要素が提供される。
【００１０】
本発明のこれらならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ＣＭＣ部品をシールし、シールされた部品上に第２のＣＭＣを形成する方法の一例を示すフローチャートである。
【図２Ａ】ガスタービンエンジンのＣＭＣ構成部品の図である。
【図２Ｂ】部品をシールするためにコーティングが施されたガスタービンエンジンのＣＭＣ構成部品の図である。
【図２Ｃ】シーリング部品の外面に第２のＣＭＣで部品をシールするためにコーティングが施されたガスタービンエンジンのＣＭＣ構成部品の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に提示する各実施形態は、本開示の特定の態様の説明を容易にするものであり、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。また、本明細書および請求項の全体を通してここで使用するような近似を表す文言は、それが関連する基本的な機能を変更することなく許容範囲内で異なり得る、任意の定量的な表現の修飾に適用することができる。したがって、「約」などの１つまたは複数の用語により修飾された値は、指定された正確な値に限定されるものではない。場合により、近似を表す文言は、値を測定する機器の精度に対応することもある。各種の実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素の１つまたは複数の存在を意味することを意図している。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含することを意図しており、列挙した要素以外の追加要素が存在し得ることを意味している。本明細書では、用語「してもよい（ｍａｙ）」および「であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」は、一定の状況内の発生可能性、指定された特性、性質もしくは機能を有することを示しており、かつ／または、修飾される動詞と関連する能力、性能もしくは可能性のうちの１つまたは複数を表すことにより別の動詞を修飾している。したがって、「してもよい」および「であってもよい」の使用は、修飾された用語が、一部の状況では、適当でなく、可能でなく、または適してないことが往々にしてあることを考慮しつつ、示された能力、機能または使用にとって明らかに適当であり、可能であり、または適していることを示している。動作パラメータのいかなる例も、開示する実施形態の他のパラメータを除外するものではない。特定の任意の実施形態に関して本明細書で説明し、例示し、そうでなければ開示する構成要素、態様、特徴、構成、配置、使用その他を、本明細書で開示する他の任意の実施形態に同様に適用することができる。
【００１３】
一態様では、本発明の一実施形態は、ＭＩプロセスによってＣＭＣ構成部品を修復するステップであって、ＣＭＣ構成要素は、第１の炭化ケイ素および第１の炭化ケイ素内に分散した第１のケイ素相を有する第１のマトリックス部分を含む、ステップと、シールされた部品を形成するために部品にコーティングを施すステップによって部品をシールするステップと、第２のＣＭＣを含むセグメントをシールされた部品上に形成するステップと、からなる方法を含む。ケイ素相は、本明細書において、ケイ素相に溶解したホウ素などの任意の他の元素と共に実質的に元素状のケイ素を含有すると定義される。いくつかの実施形態において、第２のＣＭＣは、第２の炭化ケイ素および第２の炭化ケイ素内に分散した第２のケイ素相を有する第２のマトリックス部分を含む。いくつかの実施形態では、コーティングは化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスによって施されてもよい。いくつかの実施形態において、コーティングは、炭化ケイ素または窒化ケイ素を含んでもよい。ＣＭＣ構成部品は、限定されないが、ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、燃焼器ライナ、またはセンターフレームなどのガスタービン部品であってもよい。いくつかの実施形態では、部品は修復を必要とする構成要素であってもよく、部品上にシーリング部分またはコーティングを形成することによって部品をシールすることは部品の修復中に行われる。
【００１４】
第２のＣＭＣを形成するステップは、シールされた部品上に第２のＣＭＣを形成するためにＭＩプロセスを実行するステップを含み得る。いくつかの実施形態において、第２の炭化ケイ素は第２のケイ素相と溶融浸透され、ここで、溶融浸透させるステップは、第２の炭化ケイ素上にケイ素を施すステップと、第２の炭化ケイ素上に施された溶融ケイ素を形成するために、第２の炭化ケイ素上に施されたケイ素を、第２の炭化ケイ素上に施されたケイ素の融点以上の第１の温度に加熱するステップと、第２の炭化ケイ素上に施された溶融ケイ素が第２の炭化ケイ素を浸透することができるように、第２の炭化ケイ素上に施されたケイ素を第１の温度に加熱しながら、部品の周囲の雰囲気を制御するステップと、第２のケイ素相を形成するために、第２の炭化ケイ素を浸透したケイ素の融点より低い第２の温度に部品を冷却するステップと、を含む。例えば、第１の温度は、約１３８０℃〜１５００℃の間など、約１３００℃〜１６００℃の間であり得る。
【００１５】
いくつかの実施形態では、第２の炭化ケイ素は第２のケイ素相と溶融浸透され、ここで、溶融浸透させるステップは、第２の炭化ケイ素を芯と接触させるステップと、ケイ素の融点以上の第１の温度で、溶融ケイ素で芯を湿潤させるステップと、第２の炭化ケイ素を芯と接触させながら部品の周囲の雰囲気を制御するステップと、第２の炭化ケイ素を溶融ケイ素と浸透させるステップであって、浸透させるステップは溶融ケイ素を芯から毛管作用で運ぶステップを含む、ステップと、第２のケイ素相を形成するために、第２の炭化ケイ素を浸透したケイ素の融点より低い第２の温度に部品を冷却するステップと、を含む。
【００１６】
別の態様では、ガスタービン構成要素は、ＣＭＣを含む第１のセグメントであって、第１のマトリックス部分は第１の炭化ケイ素および第１の炭化ケイ素内に分散した第１のケイ素相を含む、第１のセグメントと、第１のセグメントを取り囲みかつ外面を有する炭化ケイ素シーリング層と、第２の炭化ケイ素および第２の炭化ケイ素内に分散した第２のケイ素相を有する第２のマトリックス部分を有する、溶融浸透されたＣＭＣを有するシーリング層の外面の第２のセグメントと、を備える。ガスタービン構成要素の非限定的な例としては、ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、燃焼器ライナ、およびセンターフレームが挙げられる。ガスタービンは、本開示に従って、そのようなガスタービン構成要素を含み得る。
【００１７】
一態様では、部品をシールするために部品上に堆積されたコーティングは、部品自体の熱膨張率と同様の熱膨張率を有する物質または材料を部品上に堆積させることを含む。シーリングコーティングが堆積されているＣＭＣ構成要素とコーティングが形成されている材料との間の熱膨張率の実質的な差は、後続の処理ステップおよび／または処理後の構成要素の使用中に亀裂または割れ目の形成をもたらし得る。例えば、ＣＭＣは、ケイ素またはケイ素合金を含み得、また、炭化ケイ素も含み得る。そのようなＣＭＣ上にシーリング層を形成するために使用され得る材料の例は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、および炭化ホウ素を含む。
【００１８】
当業者に知られている様々な方法を用いてＣＭＣ部品上にシーリングコーティングを堆積させることができる。ＣＭＣ部品の組成を考慮して、十分な相溶性および望ましい熱膨張パラメータを有するコーティングを堆積させるのに適した任意の方法をそのような使用のために採用することができる。シーリングコーティングは、後続のＭＩステップを含み得る改修、修復、再構成などの間にＣＭＣ内のケイ素含有構成要素をシールするために形成される。それ自体がＭＩプロセスによって形成されたＣＭＣ構成要素などのＣＭＣを再構成、修復、再構築、緻密化、強化、拡大、または他の方法で修正するためにＭＩステップが実行されるとき、ケイ素の融点より高い温度が適用され得る。従来、ＣＭＣ中に存在する残留ケイ素がそのような加熱中に周囲または炉環境に接近すると、それが蒸発してＣＭＣ構成要素から失われ、ＣＭＣ構成要素内にギャップ、ボイド、ポケット、または割れ目が生じる可能性がある。また、再加工または改修がＭＩプロセスなどによるさらなるＣＭＣセグメントの追加を伴う場合、ＣＭＣ構成要素の元の本体内に存在するケイ素は、ＭＩ中に構成要素がさらされるより高い温度で溶融することができ、溶融したケイ素は、毛細管現象によって、新たに形成された追加の「未焼成（ｇｒｅｅｎ）」ＣＭＣ材料の細い毛細管に引き込まれ得る。冷却すると、そのようなケイ素は未焼成ＣＭＣ部分に残り、元のＣＭＣ構成要素本体にボイド、割れ目、亀裂、孔、または他の望ましくない要素を残すことがある。
【００１９】
本発明に従って初期ＣＭＣ構成要素にシーリングコーティングを適用することにより、元のＣＭＣ構成要素内のケイ素を周囲環境と、ＭＩプロセス中などの加熱中に後で堆積される可能性がある未焼成ＣＭＣ材料とから分離する。そのような状況下では、シーリングコーティングを有するＣＭＣは、例えば、ケイ素の融点を超える温度にさらされる可能性があるが、シーリングコーティングは、揮発性ケイ素のアクセス、およびそれに続く、環境または未焼成ＣＭＣセグメントの毛細管への損失を防止するので、ＣＭＣ部品からのケイ素の損失およびその中の欠陥の形成は、低減され、最小化され、または解消され得る。
【００２０】
当業者に知られている従来の方法を使用して、シーリングコーティング層を堆積させることができる。そのような従来の方法は、一般に、化学気相成長（ＣＶＤ）、化学気相浸透、プラズマ溶射、高速プラズマ溶射、低圧プラズマ溶射、溶液プラズマ溶射、懸濁プラズマ溶射、高速酸素炎（ＨＶＯＦ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、ゾル−ゲル、スパッタリング、ならびにディッピング、スプレー、テープキャスティング、ローリング、および塗装などのスラリープロセス、ならびにこれらの方法の組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。好ましい実施形態では、シーリングコーティング層をＣＶＤによって堆積させることができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、シーリングコーティング層の堆積は、ＣＭＣ構成要素の表面を化合物または化学物質と反応させることを含み得る。例えば、ＣＭＣ構成要素の表面またはその近くに存在するケイ素は、適切な条件下で示される他の化合物との反応性から、化学的に利用可能であり得る。そのような条件下でそのような化合物にさらされると、そのような表面利用可能なケイ素は、そのような化合物または物質と反応した結果、ＣＭＣ構成要素の表面およびその周囲にシーリングコーティング層を形成し、それによってＣＭＣ構成要素の内部のケイ素を周囲環境から分離して、その後の揮発によるケイ素損失を防ぐことができる。例えば、高温の条件下でＣＭＣ構成要素を炭素または窒素にさらすことによって表面を浸炭または窒化するための当業者に周知の方法を用いて、ＣＭＣ構成要素中の表面ケイ素を炭素または窒素と反応させて浸炭または窒化表面を形成することができる。場合によっては、その後に熱処理を適用することもできる。ＣＭＣ構成要素中の表面ケイ素を炭素または窒素と反応させると、結果として、気化による内部ケイ素の損失を防ぐためにシーリングコーティングが形成され得る。
【００２２】
シーリングコーティングがＣＭＣ構成要素の表面上に形成されると、改修、修復、または構成要素への追加の構造の追加を含む他の修正のためなど、追加の材料をＣＭＣ構成要素に追加することができる。例えば、さらなるセグメントは、ＭＩ−ＣＭＣ構成要素であり得る。そのような追加のＭＩ−ＣＭＣ構成要素の形成は、当業者に知られている様々な方法のいずれかによって達成することができる。非限定的な例としては、「プリプレグプロセス」として知られるプロセスおよび「スラリーキャスト」プロセスとして知られる別のプロセスが挙げられる。プロセスは未焼成複合材プリフォームの形成方法が異なり得るが、異なる実施形態では、最終緻密化ステップは、追加のＭＩ−ＣＭＣセグメントの未焼成複合材プリフォームへのケイ素溶融浸透ステップを含み得る。
【００２３】
繊維およびマトリックス成分を含有する未焼成体複合材プリフォームが形成されると、マトリックス成分と反応したときにセラミックマトリックスを生成するケイ素金属または合金の供給源と接触しながら加熱される。溶融浸透するケイ素相は、未焼成体複合材プリフォームのマトリックス成分（例えば、ＳｉＣおよび／またはカーボンマトリックス成分）を容易に湿潤させるので、毛細管現象によってプリフォームの多孔度の一部に容易に引き込まれる。マトリックス成分へのケイ素の浸透には通常、外部駆動力は不要であり、浸透の結果としての複合材プリフォームの寸法変化は通常ない（プリフォームの多孔度がケイ素で充填されているため）。ケイ素（例えば、ケイ素金属または合金）を用いた繊維強化ＣＭＣの溶融浸透のための現在の従来のプロセスは、ケイ素金属粉末をプリフォームの表面に塗布するか、またはケイ素が多孔質カーボン芯を使用して溶融状態でプリフォームに転写されるバッチプロセスを利用する。
【００２４】
従来、このようなステップを実行すると、結果として、元のＣＭＣ構成要素本体からケイ素相が失われる可能性がある。本発明によれば、元のＣＭＣ構成要素をシーリング層でシールすることにより、そのような損失、およびその結果としての元のＣＭＣ構成要素セグメント内での欠陥の形成が防止される。したがって、ケイ素相を保持している元のＣＭＣ構成要素からケイ素を吸い上げることによってではなく、外からケイ素を追加することによって、ＭＩステップ中に新たに形成されたＣＭＣ構成要素の緻密化中にケイ素を追加することができる。
【００２５】
上述のケイ素浸透プロセス中の毛細管現象などによる溶融ケイ素の浸透時に、ケイ素は、新たに形成されたＣＭＣのマトリックス成分の多孔度の一部に引き込まれ、その炭素と反応して、繊維（例えば、ＳｉＣ繊維）の周囲に実質的にＳｉＣ結晶構造を含むマトリックス部分を有するＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ構成要素を形成することができる。マトリックス部分のセラミックＳｉＣ結晶構造を形成することに加えて、ケイ素浸透プロセスは、マトリックス部分の残りの多孔度の少なくとも一部を、構成成分の炭素と反応しないケイ素金属または合金で満たす。このようにして、「遊離（ｆｒｅｅ）」または未反応ケイ素相の相互接続ポケットをマトリックス部分内に形成することができる。このようにして、いくつかの例示的なＳｉＣ系の新たに追加されたＭＩ−ＣＭＣセグメントのマトリックス部分は、実質的にＳｉ−ＳｉＣマトリックス部分であり得る。いくつかの実施形態では、そのようなマトリックス部分（すなわち、ＳｉＣを形成しないＳｉ）中の浸透された「遊離」ケイ素相は、マトリックス部分の約２体積％〜約５０体積％、より好ましくはマトリックス部分の約５体積％〜約３５体積％、さらに好ましくはマトリックス部分の約７体積％から約２０体積％であり得る。
【００２６】
ケイ素は、それ自体がシールされコーティングされた元のＣＭＣ構成要素上に形成された新たに追加されたＭＩ−ＣＭＣ構成要素のマトリックス部分上に施され、次いでケイ素の融点より高い温度にさらされ、溶融ケイ素を形成することができる。次に、溶融ケイ素を追加されたＭＩ−ＣＭＣセグメントのマトリックス部分に分散させることが可能である。別の実施形態では、ケイ素を芯に接触させ、次いでケイ素の融点を超える温度にさらして溶融ケイ素を形成し、これを毛細管現象によって、それ自体がシールされコーティングされた元のＣＭＣ構成要素セグメント上に形成された新たに追加されたＭＩ−ＣＭＣ構成要素セグメントのマトリックス部分に引き込むことができる。溶融ケイ素は、新たに形成されたマトリックス部分、ＭＩ−ＣＭＣセグメント上にケイ素をさらすことによって、またはそのようなセグメントにケイ素を芯接触させることによって、１３００℃〜１６００℃の間の温度にすることで形成することができる。例えば、１３８０℃〜１５００℃の間の温度が達成され得る。これらの範囲外の温度が使用されてもよい。ケイ素が溶融形態を維持することがもはや望ましくないかまたは必要とされないとき、温度は、凝固させるために、新たに形成されたＭＩのマトリックス構成要素の間および内部に分布するなどのケイ素の融点未満の温度に下げられてもよい。
【００２７】
いくつかの実施形態では、新たに形成されたＭＩ−ＣＭＣを緻密化することは、加熱されている間にそのような構成要素の周囲の雰囲気を制御することを含み得る。いくつかの実施形態では、構成要素が加熱されている間に構成要素の周囲の雰囲気を制御することは、真空炉内で構成要素を加熱することを含み得る。いくつかのそのような例示的な実施形態では、真空炉は、非酸化性雰囲気中で構成要素を加熱するように構成され得る（すなわち、炉内の残留ガスは、浸透するケイ素に大きな悪影響を及ぼさない）。いくつかの実施形態では、炉は、不活性ガス雰囲気中で構成要素を加熱するように構成され得る。いくつかの実施形態では、炉は、新たに形成されたＭＩ−ＣＭＣ構成要素内に捕捉または形成されたガスを実質的に除去するために真空中で構成要素を加熱するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態において、炉は、約０．０１トル〜約２トルの範囲内、好ましくは約０．１トル〜約１トルの範囲内の真空中で構成要素を加熱するように構成され得る。
【００２８】
本開示のプロセスの一実施形態を図１に示す。元のＣＭＣ部品がシーリング部分または層でコーティングされた後に、元のＣＭＣ部品または構成要素に第２のＣＭＣセグメントを追加することを含むプロセス１００が示されている。この実施形態では、ＣＭＣ部品または構成要素が得られる（１１０）。任意選択で、部品または構成要素は修復または改修を必要としている可能性がある。使用中に、一部または複数の部分の磨耗や破損、あるいは亀裂や割れ目の形成などにより損傷している可能性がある。既知の方法に従って、追加の構造をＣＭＣ構成要素に追加する前に、ＭＩプロセスなどによって追加のケイ素相を部品内に組み込むことによって、いくつかの修復を実施することができる。
【００２９】
続いて、元のＣＭＣ構成要素の表面を、コーティング層の適用によってシールすることができる（１２０）。上述のように、コーティング層は、元のＣＭＣ構成要素の熱膨張率と実質的に同様の熱膨張率を有するように選択されてもよい。シーリングコーティングは、炭化ケイ素、窒化ケイ素、もしくは炭化ホウ素、または他の材料を含んでもよく、あるいはＣＭＣ構成要素の表面の浸炭または窒化によって形成されてもよい。シーリングコーティングは、元のＣＭＣ構成要素のケイ素相のケイ素間に完全なバリアを形成するように、全体に非多孔質であってもよい。任意選択で、いくつかの実施形態では、元のＣＭＣのケイ素相のケイ素と、元のＣＭＣ構成要素またはその上の層とは別の方法で接触しない、元のＣＭＣ構成要素とは反対側のシーリングコーティング層上に形成されたＭＩ−ＣＭＣとの間にバリアを形成するために、シーリングコーティング層は、ＣＭＣ構成要素の一部分のみに形成されてもよい。このようにして、元のＣＭＣ構成要素の完全なシーリングを必要とせずに、元のＣＭＣ構成要素から新たに形成されたＭＩ−ＣＭＣ構成要素セグメントへのケイ素相の毛管作用を防ぐことができる。他の実施形態では、シーリングコーティング層は、元のＣＭＣ構成要素の全表面の周りに実質的に全部または完全でありながら、ある程度の多孔度を有し、一方で、ＭＩ処理中などの後続の加熱ステップ中に揮発することにより、元のＣＭＣ構成要素からのケイ素相の損失を防止、最小化、または低減する能力を依然として維持することができる。
【００３０】
シーリングコーティング層を形成した後、さらなるＣＭＣ構成要素を上述のように形成することができる（１３０）。シーリングコーティング層の熱膨張率は、このステップ中に追加されたＣＭＣ構成要素セグメントの熱膨張率と実質的に同様であり得る。追加されたＣＭＣ構成要素セグメントは、元のＣＭＣ構成要素と接触する面とは反対側のシーリングコーティング層の面上に形成される。このように、元のＣＭＣ構成要素の内部にあると考えられ得る、元のＣＭＣ構成要素のマトリックスまたはケイ素相とは対照的に、追加されたＣＭＣ構成要素は、元のＣＭＣ構成要素の外部にあると考えられ得る。
【００３１】
そのような処理中に形成される構成要素の一実施形態を図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示す。図２Ａに示されているのは、修復、改修、または再加工が必要な場合などの初期状態２００のＣＭＣ構成要素２１０である。図２Ｂでは、シーリングコーティング層２３０が堆積されているＣＭＣ構成要素２１０が示されており、これはプロセスの途中の構成部品の状態２２０を表している。図２Ｃでは、構成要素の修復、改修、または改造が続くにつれて、ＭＩプロセスなどによって新たに形成された第２のＣＭＣ構成要素２５０が追加された状態２４０が示されている。例示的な目的のために、異なる部分、セグメント、または層が示されており、縮尺通りではない。ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、燃焼器ライナ、およびセンターフレームなどのガスタービン構成要素、または他の構成要素を含む、任意のＣＭＣ構成要素を図２Ａ〜図２Ｃに示す形態によって表すことができる。前述の構成要素のいずれも、本開示に従ってガスタービンに組み立て、その一部とすることができる。
【００３２】
上記の説明が制限ではなく例示を意図していることを理解されたい。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定められる本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において数多くの変更および修正を行うことが可能である。例えば、上記の実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用されてもよい。さらに、本発明の範囲を逸脱せずに特定の状況または材料を様々な実施形態の教示に適応させるために、多くの修正を行うことができる。本明細書に記載した材料の寸法および種類は、様々な実施形態のパラメータを規定するためのものであるが、それらは決して限定的なものではなく、単に例示的なものにすぎない。多くの他の実施形態は、上記の説明を検討することにより当業者には明らかであろう。したがって、各種の実施形態の範囲は、添付の請求項を参照して、そのような請求項が権利を与える均等物の十分な範囲と共に決定されるべきである。添付の請求項において、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「それには（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」を用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこでは（ｗｈｅｒｅｉｎ）」のそれぞれの平易な英語の同義語として用いている。さらに、以下の請求項において、「第１」、「第２」および「第３」などの用語は単に符号として使用され、それらの対象物に数値的な要件を課すことを意図しない。また、結合する、接続する、接合する、シールするなどの用語と併用する用語「動作可能に（ｏｐｅｒａｂｌｙ）」は、直接もしくは間接的に結合される分離した別個の構成要素により生じる接続と、一体形成される（すなわち、一片の、一体の、またはモノリシックな）構成要素との両方を指して、本明細書で用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、そのような特許請求の範囲の限定が「のための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」の後にさらなる構造のない機能についての記載が続くフレーズを明白に用いない限り、そしてそうするまでは、ミーンズプラスファンクション形式で書かれたものではなく、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されることを意図するものではない。特定の任意の実施形態によって、このような前述された目的または利点のすべてが必ずしも達成されない場合があることが理解されるべきである。よって、例えば、当業者は、本明細書で説明するシステムおよび技術が、本明細書に教示されるような１つの利点または一群の利点を達成または最適化する方法で、本明細書に教示または示唆され得る他の目的または利点を必ずしも達成せずに、実施または実行され得ることを認識するであろう。
【００３３】
本発明を、限られた数の実施形態のみに関して詳細に説明してきたが、本発明が、このような開示された実施形態に限定されないことは、容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまでに説明していないが、本発明の趣旨および範囲に相応する、任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むように修正されてもよい。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本開示の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は、以上の説明によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００３４】
本明細書は、最良の形態を含めて、本発明を開示するために実施例を用いており、また、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、いかなる当業者も本発明を実施することが可能となるように実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、あるいは特許請求の範囲の文言から実質的に相違しない同等な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲に包含されることが意図される。
【符号の説明】
【００３５】
１００  プロセス
２００  初期状態
２１０  ＣＭＣ構成要素
２２０  プロセスの途中の構成部品の状態
２３０  シーリングコーティング層
２４０  追加された状態
２５０  第２のＣＭＣ構成要素
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【国際調査報告】
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